電機驅動運動工作臺控制系統設計

張立軍

上汽通用五菱汽車股份有限公司重慶分公司 重慶市 404100

1 引言

機械設備的技術水平決定了國民經濟、技術水平和硬實力的先進水平。數控技術和設備的能力是最基本的要求，高新技術產業和尖端工業的發展依靠最核心的先進制造技術水平和裝備能力。

數控技術是一種技術應用程序，使用數字信息來控制機械運動和機械工作過程。數控設備是一個創新的技術由數控技術提高傳統制造業，形成機械電子一體化的產品，所帶來的技術，在許多領域得到廣泛應用。

2 數控系統總體方案的確定

數控系統的方案設計內容包括：系統運動模式、伺服系統選擇、x-y工作臺傳輸模式。

2.1 系統運動模式

系統需要有一個準確的運動關系以及每個坐標軸。一般來說，使用連續控制。

2.2 伺服系統選擇

一般通過8031系列單片機控制系統，MCS—51系列單片機的主要特點是性價比高、高集成、可靠性好、速度快、功能強大。伺服系統的操作程序和控制命令通過操作鍵盤，顯示器顯示處理數據和工作條件。

伺服系統使用功率步進電機作為伺服電機，用于負荷并不大。由于開環控制系統沒有反饋元件，它不能正確的系統傳輸錯誤。然而，開環控制系統具有結構簡單、易于調整和維護，并廣泛應用于操作動作準確性不高的場所。

2.3 x-y工作臺傳輸模式

為了確保工作臺的傳動精度和穩定性，滾珠絲杠螺母傳動副通常被使用；為了提高傳動剛度和消除間隙，結構與預壓結構的預加載荷得到廣泛使用。

考慮到工作臺移動部件的重量和負荷并不大，選擇滾動直線導軌副，減少工作的摩擦系數，提高運動的穩定性。為了實現分辨率和負載的要求，齒輪減速驅動用于電動機步角和鉛線棒的長度。

系統的總體圖如下：

3 機械部分設計

機械設計的內容包括：系統脈沖當量，工作臺的形狀尺寸和重量估計，計算滾動導軌副、滾珠絲杠的計算、齒輪計算/設計等。

3.1 系統脈沖當量

脈沖當量ΔP是工作臺的位移時的橫向進給指令。標準應≤工作臺的定位精度。自定位精度±0.01毫米，脈沖當量是0.01毫米。

3.2 估計工作臺尺寸和重量

畫工作臺圖，根據現有的工作臺的有效行程，估算X-Y工作臺的承載重量。

X向導軌中心距支撐鋼球是420毫米，Y向導軌中心距支撐鋼球是410毫米。工作臺設計如下：

①Y向拖板尺寸（下）：長*寬*高=420 * 410*50

重量：按重量計算=體積*材料重量 為：WY=420*410*50*10-3*7.8*10-2=671.58N

②X向拖板尺寸（上）：長*寬*高=420*420*50

重量：按重量計算=體積*材料重量 為：WX=420*420*50*10-3*7.8*10-2=687.96N

③Y向拖板尺寸（下）：長*寬*高=420*410*50

重量：按重量計算=體積*材料重量 為：WY=420*400*50*10-3*7.8*10-2=671.58N

④上導軌的重量（含電機）：（900*480*8+2*800*35*50）7.8*10-2*10-3=487.97N

夾具和工件的重量約為160N

x-y工作臺的運動部分的總重量：W=487.97+671.58+687.96+160≈2000N

3.3 計算和滾動導軌的選擇

根據給定的工作負載Fz，估算WX和WY，靜態安全系數目前=fSLC0/P，在公式：C0導軌的基本靜態額定負載，工作負荷P=0.5（Fz+W）；fSL=1.0~3.0（一般操作條件），3.0~5.0（在運動沖擊和振動）。操作中系統受到的沖擊及振動為中等，fSL=3.0

3.4 齒輪計算/設計

為了實現脈沖當量，一對齒輪傳動系統中應該添加降低速度。初選步進電機角步：α=2.0/step。

因為扭矩小，模數m=1mm：

分度圓直徑計算：d1=mz1=1*24=24mm d2=mz2=1*50=50mm

齒根圓直徑計算： df1=（z1-2.5）m=（24-2.5）*1=21.5mm

齒頂圓直徑計算：da1=（z1+2）m=（24+2）*1=26mm

da2=（z2+2）m=（50+2）*1=52mm

寬度計算：b=φdd1=1*24=24mm b1=25mm，b2=30mm

中心距計算：a=0.5（d1+d2）=0.5（24+50）=37mm

分度圓壓力角：α=20°

齒輪采用標準漸開線圓柱齒輪，選擇小齒輪和兩個薄齒輪避免互連。

4 數控系統的硬件電路設計

x-y數控系統包括CPU、傳輸驅動、電磁驅動電路，電源設計等。在設計硬設計系統時，需要注意電機運行平穩，成本低、性能可靠、維護方便、人機交互等等。

4.1 CPU的選擇

應用電子技術的持續改進，單芯片微型計算機跨越式發展。目前，單片模型市場，有很多通過mcs—51匯編語言芯片和派生的兼容芯片。8位單片機89c51，廉價、強大、性價比優良，在市場中得到了廣泛的應用。

4.2 步進驅動系統。

傳動部分包括步進電機驅動器和電磁鐵驅動。步進電機驅動器必須滿足快速定位、帶動工作臺運動，運行并能按照程序的設定的速度運行。

4.3 電源設計

控制系統使用兩個電機同時工作，電力消耗很大，所以有必要選擇一個大的電源。該系統中使用的電源電壓為27v/12V/5V。為了滿足電源要求、功率管理容量需求，27v電源作為設計系統的基準電壓，轉換為12v/5v電壓芯片使用。

4.4 電磁鐵驅動電路

該驅動電路采用光電耦合器，其電路相對簡單。因為驅動電磁鐵的電流比較大，光電耦合部分使用達林頓管。

5 結語

隨著科學技術的進步，我國數控機床的發展從初步探索到相對成熟的階段，性能先進、技術成熟、產品可靠的數控產品正在快速代替維護成本昂貴的老式設備。對于提高生產效率，提高產品質量，加強舊設備的利用率起到舉足輕重的作用，也是推廣機電一體化技術的重要方法。